Ep. 13 กล้องโทรทรรศน์วิทยุทำงานอย่างไร?

13 01

 

วัตถุท้องฟ้า จะปลดปล่อยพลังงานในรูปแบบของการแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าหลายช่วงคลื่น อาทิ คลื่นวิทยุ คลื่นไมโครเวฟ รังสีอินฟาเรด คลื่นแสง รังสีอัลตราไวโอเลต รังสีเอ็กซ์ รังสีแกมมา คลื่นแสงที่ตามนุษย์มองเห็นเป็นเพียงส่วนหนึ่งของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า  ดังนั้น หากต้องการศึกษาวัตถุท้องฟ้าให้ละเอียดยิ่งขึ้น จึงจำเป็นต้องขยายการศึกษาออกไปในช่วงคลื่นอื่นๆ นอกเหนือจากช่วงคลื่นแสงที่ตาเรามองเห็น การศึกษาดาราศาสตร์ในช่วงคลื่นวิทยุ หรือ “ดาราศาสตร์วิทยุ” จึงกลายมาเป็นอีกหนึ่งแขนงสำคัญของดาราศาสตร์ฟิสิกส์ ที่ศึกษาวัตถุท้องฟ้าโดยใช้กล้องโทรทรรศน์วิทยุ

 

คลื่นวิทยุ สามารถทะลุผ่านชั้นบรรยากาศโลกได้มากกว่าคลื่นชนิดอื่น และมีช่วงความยาวคลื่นให้ศึกษาได้หลากหลาย การศึกษาดาราศาสตร์ในช่วงคลื่นวิทยุ จะช่วยให้เราสามารถศึกษาและทำความเข้าใจวัตถุต่าง ๆ ในเอกภพได้มากยิ่งขึ้น  โดยเฉพาะเทหวัตถุที่ไม่เปล่งคลื่นแสงออกมา เช่น บริเวณดาวเกิดใหม่ พัลซาร์ บริเวณสสารระหว่างดวงดาว และระหว่างกาแลกซี่  ซึ่งหากสังเกตการณ์ในช่วงคลื่นแสงอย่างเดียว เราก็จะเข้าใจว่ามันเป็นบริเวณที่ว่างเปล่า  

 

กล้องโทรทรรศน์ทั่วไปมีหลักทำงาน โดยวิธีรวมแสงด้วยเลนส์หรือกระจก ขยายภาพด้วยเลนส์ตา หลังจากนั้นก็จะปรับโฟกัสให้ภาพชัดเจน  กล้องโทรทรรศน์วิทยุก็ใช้หลักการทำงานลักษณะเดียวกัน แต่ใช้จานรับสัญญาณแบบพาราโบลาแทนเลนส์รวมแสง กับอุปกรณ์รับสัญญาณอย่างน้อย 1 ตัว เพื่อใช้รับสัญญาณในช่วงคลื่นความถี่ที่แตกต่างกัน หากสามารถติดตั้งอุปกรณ์รับสัญญานหลายตัว ก็จะสามารถรับสัญญานที่ครอบคลุมช่วงคลื่นความถี่ได้มากขึ้น ทั้งนี้ กล้องโทรทรรศน์วิทยุแห่งชาติของไทย ที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 40 เมตร สามารถติดตั้งอุปกรณ์รับสัญญานได้มากถึง 8-12 ตัว 

 

เมื่อคลื่นวิทยุเดินทางมาถึงกล้องโทรทรรศน์วิทยุ จานรับสัญญาณหลักจะเป็นส่วนแรกในการรับสัญญาณคลื่นวิทยุ และสะท้อนไปที่จานสะท้อนรอง ณ ตำแหน่งจุดโฟกัสของจานรับสัญญานหลัก หลังจากนั้น สัญญานจะถูกสะท้อน และทะลุผ่านช่องบริเวณกลางจานรับสัญญาณหลักลงไปยังห้องติดตั้งอุปกรณ์รับสัญญาณ  ซึ่งอุปกรณ์รับสัญญาณวิทยุนั้นมีหน้าที่สำคัญในการรับและแปลงคลื่นสัญญาณวิทยุจากวัตถุท้องฟ้าที่ต้องการศึกษาให้เป็นข้อมูลดิจิทัล เพื่อส่งข้อมูลผ่านสายส่งสัญญาณชนิดใยแก้วนำแสงไปยังอุปกรณ์บันทึกข้อมูลต่อไป

 

สำหรับพื้นผิวจานรับสัญญาณหลักของกล้องโทรทรรศน์วิทยุแห่งชาติ มีคุณลักษณะที่โดดเด่นคือมีความละเอียดและแม่นยำสูง สามารถรับสัญญาณคลื่นวิทยุได้ตั้งแต่  300 MHz ไปจนถึงความถี่ที่สูงถึง 115 GHz  ทั้งนี้ ขึ้นอยู่กับสภาพท้องฟ้าและภูมิอากาศ

 

เพื่อให้รับสัญญาณได้อย่างละเอียด ครอบคลุมช่วงคลื่นความถี่ให้มากยิ่งขึ้น NARIT จึงวางแผนที่จะพัฒนาอุปกรณ์รับสัญญาณในหลายช่วงความถี่  เช่น L-Band (1-1.8 GHz), C-Band (4.55-13.65 GHz),  Ku- Band (10.7-12.75 GHz),  K-band (18-26.5GHz)  ฯลฯ นอกจากนี้อุปกรณ์รับสัญญาณยังทำงานภายใต้ระบบความเย็นยิ่งยวดที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า 70 เคลวิน เพื่อลดสัญญาณรบกวนจากอุณหภูมิแวดล้อม รับสัญญาณได้แม่นยำมากยิ่งขึ้น

 

ใน Ep. นี้ จะอธิบายหลักการทำงานของอุปกรณ์รับสัญญาณของ​กล้องโทรทรรศน์วิทยุให้เข้าใจอย่างง่าย ๆ  สำหรับ Ep. ต่อไป เราจะพาไปทำความรู้จักกับอุปกรณ์รับสัญญาณในช่วงคลื่นต่าง ๆ ที่ NARIT  ได้ร่วมพัฒนากับหน่วยงานดาราศาสตร์ชั้นนำระดับโลกที่มีประสบการณ์ด้านดาราศาสตร์วิทยุ อาทิ สถาบันดาราศาสตร์วิทยุมักซ์พลังค์ ประเทศเยอรมนี หอดูดาวเยเบส ประเทศสเปน 

 

สำหรับอุปกรณ์รับสัญญานชุดแรกที่จะติดตั้งกับกล้องโทรทรรศน์วิทยุแห่งชาติ ในช่วงปลายปีนี้ คือ เครื่องรับสัญญาณวิทยุไมโครเวฟโฮโลกราฟฟี่จะเป็นอย่างไรนั้น...ติดตามกันสัปดาห์หน้าครับ